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风光氢领域需求驱动下,碳纤维迎来“黄金时代”

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风光氢领域需求驱动下,碳纤维迎来“黄金时代”

发布日期:2022-07-11 作者:网络 点击:

自1942年杜邦公司发明聚丙烯腈(PAN)纤维技术的很多年间,碳纤维一直是一种贵族化的材料,素有“黑色黄金”之称。



它密度比铝低、强度比钢高,以出色的力学性能和化学稳定性被人们所称道,通常应用于各种高大上的航空航天设备以及昂贵的体育休闲用品:美国的小型固体洲际战略导弹“侏儒”,宝马的i3、i8以及7系主流车型,自行车品牌土拨鼠山地自行车都使用了碳纤维。



因为价格昂贵,碳纤维材料难以像合成树脂、橡胶、玻纤一样实现大规模应用。



这一固有的行业困境在近些年迎来新的转机。



随着碳纤维制造工艺日益成熟,制造成本不断下降,此时来自下游新能源产业的应用引燃了需求,碳纤维的规模化应用场景得以实现突破。



在碳中和的数条关键赛道当中,风电行业需要使用碳纤维的材料用作风电叶片;氢能行业需要使用碳纤维材料作为燃料电池储氢瓶方便运输;光伏行业需要使用碳纤维材料取代石墨,用于单晶硅炉内的碳毡功能材料、保温桶、护盘等关键部件。



包括新能源车行业也一直在期待碳纤维价格下降到合理区间,可以用来减少自重、提升续航。



整个过程又恰好伴随着国内企业的崛起。正如在家电、电子产品、光伏等多个领域发生的一样,国内企业往往以较低的价格占领市场,同时大大拓宽下游应用规模,加速整个行业的成长。



如果说此前数十年碳纤维的应用是一直是从1-10的话,在双碳战略和国产化的浪潮下,碳纤维正迎来从10-100及“中国制造”的新阶段。正如2021年中国纺织工业联合会副会长端小平在一次化纤行业会议上做出的判断:“以碳纤维为代表的高性能纤维将开启黄金时代。”




01



风光氢领域需求驱动下



碳纤维需求预期快速增长



碳纤维是由聚丙烯腈、沥青基等有机纤维(原丝)在高温环境下裂解碳化形成的碳主链结构高性能纤维材料,其含碳量在 90%以 上。碳纤维具有质轻、高强度、高模量、导电、导热、耐腐蚀、耐疲劳、耐高温、膨胀系数小等优异性能,是 目前已大量生产的高性能纤维中具有较高的比强度和较高的比模量的纤维。碳纤维在航空航天、风电叶片、体 育休闲、压力容器、碳/碳复合材料、交通建设等领域广泛应用。



根据原丝种类的不同,碳纤维可分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类。聚丙烯腈(PAN)基碳纤维较于其他两种碳纤维工艺难度更低,同时拥有优异的成品品质和优良的力学性能,是目前应用领域较广,产量也较大的一种碳纤维,占据市场 90%以上的份额。



按照丝束大小,碳纤维可分为小丝束( 24K 以下)和大丝束( 48K 以上)。小丝束碳纤维拉伸强度3500~7000 MPa、拉伸模量230~650 GPa,高强度、高模量碳纤维主要应用于航空航天、国防军工以及高端体育休闲用品等领域。大丝束碳纤维因粘连、断丝等现象较多,使强度、刚度受到影响,拉伸强度 3500~5000 MPa、拉伸模量 230~290 GPa。



相对于小丝束,大丝束碳纤维较大的优势,是生产和应用效率高,可以大幅度实现低成本的目标,从而打破碳纤维高昂价格带来的应用局限。根据力学性能的高低,大丝束碳纤维可应用于风电叶片、轻量化、压力容器、航空航天等领域。



2014 年碳纤维前五大应用领域分别为航空航天、混配模成型、体育休闲、汽车和风电叶片,2014 年以前需求增速平稳。2015 年丹麦风电巨头维斯塔斯采用全新的叶片设计,并使用拉挤碳板制备叶片大梁工艺,显著降低了碳纤维应用于风电叶片的整体成本,自此开启了碳纤维在风电叶片上的规模化应用,同年风电叶片成为碳纤维用量较大的分市场。



2014-2021 年,碳纤维需求年均增速达到12%,在风电叶片领域的需求量更是从 2014 年的 6000 吨增长到 2021 年的 33000 吨,年均增速高达28% 。



“双碳”背景下,我国风电年新增装机容量将持续高位,海上风电、陆上低风速风场建设将推动叶片大型化,进一步驱动大丝束碳纤维在风电叶片领域的消费快速增长。预计到 2025 年,我国碳纤维在风电叶片领域的消费量将达 46700 吨,2021 - 2025 年均增长率 20% 以上。




02



黄金时代的到来



碳纤维材料在过去多年难以大规模应用,产品价格昂贵是核心的原因之一。价格昂贵与应用有限互为因果:售价昂贵导致下游使用较少,使用较少导致下游厂商无法顺利扩产。



但也正是因此,一旦碳纤维在民用大市场找到核心应用 ,下游需求很容易迅速引爆,带动市场规模高速扩容。



过去两年,碳纤维市场繁荣的主要驱动力就来自于风电叶片与碳碳复材,两者都是民用领域(相对军工领域)。根据机构赛奥碳纤维的数据,2021年全球碳纤维需求量占比前三的领域依次是风电叶片28%、体育休闲16%、航空航天14%,国内碳纤维需求量占比前三的领域依次是风电叶片36%、体育休闲28%、碳碳复材11%。



碳纤维在风电领域的规模化应用,主要归功于风电整机龙头维斯塔斯。作为风力发电设备生产商,维斯塔斯在风电领域创新性的使用大丝束碳纤维,促进了风电领域碳纤维需求的快速增长。



CWEA数据显示,2015-2021年间,全球风电领域的碳纤维需求迅速从1.8万吨增长到了3.3万吨,占到了2021年全球碳纤维总需求的约30%;而2021年仅维斯塔斯的碳纤维用量就在2.5-2.8万吨左右。



碳碳复材的需求增长,则主要源于光伏单晶硅炉内的碳毡功能材料和坩埚、保温桶、护盘等。在碳中和政策的推动下,国内光伏企业隆基、晶科、中环、晶胜机电、晶澳大量采购单晶硅炉增进了对碳纤维的需求。



需要注意的是,按照不同的用途,碳纤维的品类也分为宇航级和工业级两类,两种碳纤维价格相差高达4.29倍。前者是小丝束,价格高,主要应用于国防工业、高技术、以及体育休闲用品;后者是工业级大丝束,价格低,主要应用于土木建筑、交通运输和能源等行业。



虽然产品价值低,但风电、压力容器等工业领域却以旺盛需求拉动了整个碳纤维市场的增长。这也从另一侧面说明,只有进入到广阔的民用大市场,碳纤维才能摆脱“高冷”的面貌,真正打开未来成长的空间。



由此也可以预见,随着碳纤维材料不断触及到规模化和价格下降的临界点,其工业用途将会爆发式增长,并取代国防、航空、体育消费等,成为其更大的发展驱动力。



《2020全球碳纤维复合材料市场报告》预测,到2025年全球碳纤维需求将达到20万吨。也就是说,从1959年到2019年,第一个10万吨经历了60年,而下一个10万吨可能仅需要6年。



对于国内碳纤维企业而言,所谓的黄金时代也包含两个层面的含义,除了下游需求旺盛,市场快速爆发之外,企业的盈利能力也得以快速提升,充分享受了市场红利。



此前多年,由于国内碳纤维产线偏低端、工艺不完善,造成生产成本高企,加之下游竞争激烈,大部分碳纤维企业处于亏损状态,生存状态较为艰难。



近两年由于下游风电需求旺盛造成供应紧张,国内市场碳纤维价格持续上升,产品产销两旺、供不应求,企业盈利也得到了大幅改善。



2021年,光威复材、中简科技、中复神鹰、吉林碳谷、恒神股份5家碳纤维上市公司实现了全面盈利。碳纤维行业的国产化率也由2015年15%逐渐提升至2021年47%,行业迎来了黄金时代。




03



“双碳”背景下



碳/碳复材在热场部件中渗透率将提升



近年来,随着国内先进碳基复合材料制备技术的发展,先进碳基复合材料成为降低硅晶体制备成本、提高硅晶体质量的更优选择,正逐步形成在晶硅制造热场系统中对石墨材料部件的升级换代。



受益于光伏市场的高速增长,热场部件需求量也将迅速增长。全球太阳能级硅片生产主要集中在中国。2020 年我国碳/碳复材领域对碳纤维消费量为3000吨左右,同比增长 150% ;2021 年消费量达 7000 吨,同比增长 133% 。预计到 2025 年,我国碳纤维在该领域的消费量将增至 14500吨左右,2021 - 2025 年年均增长率 20% 。



在压力容器领域,碳纤维主要应用在天然气和氢气储罐、高压储气罐、压缩天然气燃料罐、火箭发动机等方面。



近年来,受氢能及燃料电池汽车热度攀升的影响,全球压力容器用碳纤维市场体量呈加快增长态势。决定氢能应用的关键在于安全、高效、经济、节能的氢能储运技术,高压气态储氢是目前应用更广、技术更成熟的储氢技术。在四种高压气态储氢瓶中,Ⅰ和Ⅱ型气瓶重容较大,储氢密度低,用于车载供氢系统效果并不理想;Ⅲ和Ⅳ型可用于车载储氢,其中Ⅳ型瓶在国外尤其是在汽车领域已成功商用。而我国受制于碳纤维材料性能与纤维缠绕加工等工艺水平,目前还在大力发展Ⅲ型瓶。



据势银(TrendBank)调研统计,2021 年中国市场氢燃料电池汽车车载供氢系统出货 3675 套,同比 2020 年增长 51.42% ;车载储氢瓶出货量为 27368 支,同比增长 102.43 %。



《氢能产业发展中长期规划( 2021-2035 年)》提出,到 2025 年,氢燃料电池车辆保有量约5万辆,部署建设一批加氢站。截至 2020 年底,全国氢燃料电池汽车保有量 7352 辆,全部为商用车。要达到规划目标,2025 年产销量至少达到 2 万辆。预计到 2025 年,高压气态储氢瓶用碳纤维需求将大幅增长,压力容器领域碳纤维消费量将达 8600 吨,2021-2025年均增长率在 30% 以上。



体育休闲一直是我国碳纤维消费主力市场,未来该领域将继续发挥碳纤维市场稳定器和压舱石的作用。加上航空航天、建筑补强、轻量化等方面的需求,预计 2025 年我国碳纤维需求量将达 10 万吨。




04



行业产能大幅扩张



碳纤维国产替代持续推进



从全球碳纤维市场的份额划分看,国际碳纤维市场为日、美企业所垄断。在小丝束碳纤维市场上,日本企 业东丽、东邦、三菱三家公司合计所占有的市场份额为全球产能的 49%。大丝束市场上,日本东丽旗下的卓尔 泰克为全球主要的大丝束供应商,占据了 58%的全球市场份额,其次是占比 31%的德国 SGL,和占比 9%的日 本三菱,其他企业仅占剩余的 2%。



碳纤维应用广泛,整体可按军工、民用、工业大丝束对国内外企业进行对标分析。



1)军工:国内光威复材、中简科技可以对标美国赫氏,在军工领域优势明显。



2)民用:中复神鹰产品系列可以较好地对标日本巨头东丽,在 T700/T800 方面优势明显。



3)工业大丝束:上海石化定位大丝束,目前已经试制成 48K 大丝束,未来有望 对标美国卓尔泰克。



4)吉林化纤系企业:形成了碳纤维产业链的全面布局,凯美克专业生产 1K、3K 小丝束,定位军工与民用航空航天,吉林国兴定位大丝束,吉林碳谷+吉林化纤实现了 T400 级民用市场的优势地位。



日本东丽对中国断供,叠加疫情影响海运受阻,国内碳纤维厂商迎来进口替代发展机遇。从供给结构来看,我国碳纤维国产化率从 2016 年的 18.41%快速提升至 2021 年的 46.89%,2021 年较 2020 年提升 9 个百分点。



2021 年,全球碳纤维运行产能为 20.76 万吨,其中国内碳纤维产能 6.34 万吨,占全球总产能的 30.5%,首次超过美国成为全球更大产能国。据赛奥碳纤维统计,2021 年新增产能中,吉林化纤集团扩产步伐较大,新增 产能近 16,000 吨;常州新创碳谷新入行,新建产能 6,000 吨;卓尔泰克在墨西哥新建 3,000 吨;中复神鹰在西 宁基地新增 6,000 吨,宝旌增加 2,000 吨,东邦增加 1,900 吨。



从各碳纤维企业的扩产计划来看,行业产能在近两年将迎来大幅扩张。根据赛奥碳纤维的统计,目前进行 中的扩产项目有:吉林化纤 27,000 吨(2022 年完成),宝旌 21,000 吨(2023 年完成),中复神鹰 14,000 吨(2023 年完成),上海石化 12,000 吨(2023 年完成),新创碳谷 12,000 吨(2022 年完成),光威包头 4,000 吨(2022 年 完成)。



此外,还有部分企业宣布了“十四五”期间的长线扩产计划,共计 20 万吨左右。行业进入者逐渐增加 并计划扩建万吨级别的碳纤维,短期内将使得行业更为分散,但长期中有助于激发企业创新,从而实现国产替代。



预计 2022-2023 年是当前规划产能密集落地的时点,到 2025 年国内落地的碳纤维总产能或将达到 19.38 万 吨,其中吉林化纤集团(含吉林国兴、吉林宝旌)、中复神鹰、光威复材、上海石化预计达到 6.08、2.75、1.37、1.35 万吨。




写在最后



双碳战略下,风电、光伏和氢能的发展,开启了碳纤维从10-100的新阶段,促使其快速走向广阔的民用市场,也给了国内碳纤维企业以新的发展机遇。



2015年-2021年,碳纤维行业国产化率由15%逐渐提升至47%,产能已经占到市场约21%的份额。国海证券测算,2025年国内碳纤维需求有望达到15.9万吨,对应市场空间232亿元,已经超过了2021年碳纤维的整体市场规模。



在风电、光伏、新能源车等碳中和核心赛道上,我国已经占据了产业链的主导位置,而在与其紧密相连的碳纤维赛道,国产碳纤维弯道超车的“奇点”也即将到来。




本文来源:巨潮WAVE,价值目录,中国化信咨询


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